基于ADAMS及ANSYS的層碼垛設(shè)備的設(shè)計(jì)

劉 江，秦寶榮，王淑華

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造和先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310014)

基于ADAMS及ANSYS的層碼垛設(shè)備的設(shè)計(jì)

劉 江，秦寶榮，王淑華

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造和先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310014)

切割成型后的陶粒增強(qiáng)加氣砌塊需要碼垛搬運(yùn)至特殊場地進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。結(jié)合該物料的自身特殊性，設(shè)計(jì)了一種層碼垛機(jī)設(shè)備。首先用Solidworks建立了三維模型，確定了結(jié)構(gòu)方案的可行性；然后用ADAMS對其進(jìn)行了運(yùn)動仿真和受力分析，為層碼垛機(jī)選擇合適的運(yùn)動方案；最后借助ANSYS有限元法對層碼垛設(shè)備整體進(jìn)行了靜動態(tài)特性分析，評價(jià)了其性能并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提高了其動態(tài)特性性能，得到了滿意的結(jié)果。

層碼垛機(jī)；砌塊物料；運(yùn)動仿真；受力分析；靜動態(tài)分析

砌塊物料即陶粒增強(qiáng)加氣砌塊是一種新型建筑節(jié)能自保溫材料，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、保溫性能好、吸水率低等特點(diǎn)[1-2]?，F(xiàn)有的生產(chǎn)工藝中要求陶粒增強(qiáng)加氣砌塊碼垛并搬運(yùn)至特殊場地進(jìn)行養(yǎng)護(hù),而碼垛機(jī)器人成本較高且適用于精度要求較高的場合，不適合中小型企業(yè)。本文結(jié)合砌塊物料自身材料結(jié)構(gòu)特殊性，設(shè)計(jì)了一種專用于陶粒塊狀物料的碼垛機(jī)設(shè)備，借助ADAMS對該設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動分析，驗(yàn)證了整體過程運(yùn)動規(guī)律的合理性；用有限元分析方法對其進(jìn)行了靜動態(tài)特性分析，并根據(jù)其整機(jī)動態(tài)特性性能的不足對整機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，提高了其動態(tài)特性性能，得到了滿意的結(jié)果。

1 砌塊物料碼垛設(shè)計(jì)要求

切割后的砌塊從低位進(jìn)料，碼垛好的砌塊總共有6層，尺寸是1 200mm×1 200mm×1 200mm。 物料碼垛要求：對砌塊物料完整性損壞小，夾持穩(wěn)定；碼垛機(jī)的碼垛速度為8min/循環(huán)，最大碼垛效率為26t/h；砌塊每層交叉疊放，排列整齊。

2 總體方案設(shè)計(jì)及工作原理

根據(jù)砌塊物料碼垛設(shè)計(jì)的要求，通過多種方案的對比，得出最佳方案，其整體模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

砌塊物料在碼垛指定位置等待碼垛，碼垛機(jī)升降框架裝置驅(qū)動夾持裝置完成夾持物料動作并進(jìn)行上下運(yùn)動，待移動到一定高度后，水平驅(qū)動裝置驅(qū)動夾持裝置和物料移動到出料處正上方，再由升降框架裝置驅(qū)動夾持物料裝置下降至指定高度，松開物料，完成一層砌塊的碼垛，夾持物料裝置再回到初始位置等待下一層的碼垛。其中旋轉(zhuǎn)裝置可以驅(qū)動夾持裝置旋轉(zhuǎn)90°。

圖1 碼垛機(jī)的總體方案結(jié)構(gòu)模型

3 碼垛機(jī)的運(yùn)動學(xué)仿真

3.1碼垛機(jī)的初始參數(shù)設(shè)置

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將仿真時(shí)間設(shè)置為80s,步數(shù)(Steps)1 500。反復(fù)分配時(shí)間并進(jìn)行計(jì)算，將每層碼垛工作分解成8個(gè)動作行程，時(shí)間分配見表1，過程圖如圖2所示。

表1 碼垛設(shè)備一層碼垛時(shí)間分配

圖2 砌塊碼垛運(yùn)動過程圖

3.2關(guān)鍵部件裝置運(yùn)動學(xué)仿真分析

ADAMS/View中提供了多種時(shí)間函數(shù)，可以通過這些時(shí)間函數(shù)來定義運(yùn)動[3]，本文采用ADAMS提供的STEP階躍函數(shù)來控制各部件的驅(qū)動。

3.2.1升降框架裝置運(yùn)動學(xué)仿真

升降框架裝置驅(qū)動夾持旋轉(zhuǎn)裝置一起上下運(yùn)動，通過仿真得出其驅(qū)動力、位移以及升降速度曲線，如圖3～5所示。

圖3 升降驅(qū)動力曲線

從圖3可以看出，升降框架裝置上升和下降的驅(qū)動力最大需要62kN，這為電機(jī)的選型以及各傳遞構(gòu)件的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。從圖4可以看出，升降驅(qū)動裝置位移最大為1 800mm，位移設(shè)置平穩(wěn)，初步判斷位移設(shè)置比較合理。從圖5可以看出，最大速度為270mm/s，該設(shè)備運(yùn)動過程中速度沒有突變現(xiàn)象，上下運(yùn)動過程比較穩(wěn)定。

圖4 升降驅(qū)動裝置位移曲線

圖5 升降驅(qū)動裝置速度曲線

3.2.2水平移動裝置運(yùn)動學(xué)仿真

水平橫向移動裝置驅(qū)動旋轉(zhuǎn)夾持裝置進(jìn)行橫向移動，仿真得出其驅(qū)動力、位移以及水平移動速度曲線，如圖6～8所示。

圖6 水平移動裝置位移曲線

圖7 水平移動裝置速度曲線

圖8 水平移動驅(qū)動力曲線

從圖6可以看出，水平移動裝置在整個(gè)運(yùn)動過程中比較平穩(wěn)，位移曲線過渡自然，沒有突變現(xiàn)象，最大位移是1 830mm，位移設(shè)置合理。從圖7可以看出，水平移動裝置速度曲線沒有突變，最大速度為274mm/s，比較合理。從圖8得出水平移動裝置驅(qū)動力最大需要500N，這為水平方向運(yùn)動驅(qū)動電機(jī)選型以及輸出軸等構(gòu)件的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

3.2.3旋轉(zhuǎn)裝置運(yùn)動學(xué)仿真

當(dāng)砌塊隨機(jī)械手夾持裝置運(yùn)動至出料輸送線上方時(shí)，由旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)夾持裝置，從而驅(qū)動夾持有砌塊的夾持裝置旋轉(zhuǎn)90°。通過仿真得出其角速度、角加速度以及旋轉(zhuǎn)軸力矩曲線圖，如圖9,10所示。

圖9 旋轉(zhuǎn)裝置角速度和角加速度曲線

圖10 旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動力矩曲線

從圖9看出，旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)過程中是先加速、再勻速、后減速的運(yùn)動方式，其角加速度最大為11.2deg/s2，角速度最大為15.0deg/s，整個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動過程比較平穩(wěn)，沒有突變角速度等現(xiàn)象，比較合理。從圖10可以看出，其旋轉(zhuǎn)過程中的轉(zhuǎn)矩為3 000N·m，這就要求旋轉(zhuǎn)電機(jī)或者旋轉(zhuǎn)油缸輸出3 000N·m的力矩，為旋轉(zhuǎn)電機(jī)選型和旋轉(zhuǎn)軸等部件的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

3.2.4夾持裝置運(yùn)動學(xué)仿真

對夾持裝置夾取砌塊的運(yùn)動情況做分析，主要目的是研究夾持裝置液壓缸的運(yùn)動狀況及其輸出力的大小，為液壓缸的選型做參考。夾持裝置夾取砌塊的運(yùn)動是由液壓缸帶動機(jī)械手爪做開合運(yùn)動。模擬仿真得出了液壓缸驅(qū)動位移、液壓缸活塞運(yùn)動速度以及液壓缸輸出力曲線圖，如圖11～13所示。

圖11 液壓缸驅(qū)動位移曲線圖

圖12 液壓缸活塞運(yùn)動速度曲線圖

從圖11可以看出，液壓缸活塞在回縮至80mm時(shí)便停止運(yùn)動，說明此時(shí)機(jī)械手臂已將砌塊夾緊，由于液壓缸是雙驅(qū)動夾持手爪運(yùn)動，故行程是160mm。從圖12可以看出，液壓缸的運(yùn)行最大速度為19mm/s，這里采用的是等速缸，所以往復(fù)運(yùn)動的速度相同。從圖13可以看出，液壓缸在驅(qū)動手爪夾持物料過程中的輸出力最大為100 000N。

圖14所示的是物料與砌塊之間的摩擦力，最大為620N。從圖15可以看出，各關(guān)鍵運(yùn)動部件加速度存在有限值突變現(xiàn)象，不過這一突變引起的沖擊是柔性沖擊，對整體工作影響較小，可以忽略不計(jì)。

圖14 夾持手爪與塊狀物料的摩擦力曲線

圖15 各關(guān)鍵運(yùn)動部件加速度曲線

通過ADAMS仿真分析，得到了碼垛機(jī)各關(guān)鍵部件在各個(gè)時(shí)刻的位移、速度、加速度、角速度、角加速度曲線圖，檢驗(yàn)了碼垛機(jī)運(yùn)動規(guī)律的合理性及準(zhǔn)確性，間接地測出了液壓缸的輸出力、旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩、物料與手爪間摩擦力，為液壓缸、電機(jī)、旋轉(zhuǎn)液壓缸的選型以及各傳遞關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。結(jié)果表明，該碼垛機(jī)方案符合設(shè)計(jì)要求，能保證機(jī)器順利工作，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)方案的可行性，為機(jī)器的有限元靜動態(tài)特性分析建立了基礎(chǔ)。

4 碼垛機(jī)的靜動態(tài)特性分析

4.1靜態(tài)特性分析

靜態(tài)特性是考慮在最大外載荷的作用下機(jī)構(gòu)的變形能力，因此只需分析外力作用下幾個(gè)極限位置[4]的靜力性能即可。

4.1.1碼垛機(jī)整體靜態(tài)特性分析

將碼垛機(jī)整體按照要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，然后導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，再借助Static Structure(ANSYS)模塊對碼垛機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析[5-6]。如圖16所示，求解得出其最大變形量(Total-Deformation)為0.749 69mm，出現(xiàn)在夾持裝置夾持部分，變形量滿足低于0.8mm的要求，其平均(vio-Mises)應(yīng)力最大為43.819MPa，出現(xiàn)在機(jī)架和升降框架連接鏈條的連接件位置以及升降框架橫梁中間處，整體剛度和強(qiáng)度滿足要求。

圖16 碼垛機(jī)變形、平均應(yīng)力云圖

4.1.2夾持手爪靜態(tài)特性分析

將夾持手爪部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化并在ANSYS Workbench中進(jìn)行分析計(jì)算，求解得出其最大總變形量(Total -Deformation)為0.261 68mm,出現(xiàn)在夾持手爪夾持板位置處，平均(vio-Mises)應(yīng)力最大為32.517MPa,出現(xiàn)在夾持手爪導(dǎo)向軸固定板部位，整體剛度和強(qiáng)度滿足條件，如圖17所示。

圖17 夾持手爪部件總變形、平均應(yīng)力云圖

4.2動態(tài)特性分析

在ANSYS Workbench軟件中，利用Modal(ANSYS)模塊進(jìn)行分析計(jì)算，可以得到該碼垛機(jī)的模態(tài)。設(shè)定接觸條件為各部件之間綁定接觸，約束條件為碼垛機(jī)機(jī)架底面固定約束，模態(tài)分析階數(shù)為6階，前3階模態(tài)振型如圖18所示，其6階模態(tài)相應(yīng)結(jié)果見表2。

表2 碼垛機(jī)固有頻率、振幅及相應(yīng)振型

圖18 碼垛機(jī)前3階模態(tài)振型

從表2分析可知，碼垛機(jī)的不同模態(tài)振型都不一樣，其各方向振動特性會削弱碼垛機(jī)的強(qiáng)度和剛度，進(jìn)而影響碼垛機(jī)的位置精度。由于橫向移動中伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為19r/min(0.48Hz),升降電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為720r/min(12Hz),旋轉(zhuǎn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為2r/min(0.033Hz), 工作狀態(tài)前3階振型最大固有頻率為11.764Hz，小于電機(jī)最大頻率12Hz，因此其在電機(jī)頻率范圍之內(nèi)會引起共振，共振會影響機(jī)械結(jié)構(gòu)的使用壽命及工作的穩(wěn)定性。

4.3整機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

鑒于上述動態(tài)特性性能的不足，以及考慮在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量使機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作頻率避開其固有頻率，以免發(fā)生共振[7],結(jié)合前3階模態(tài)振型結(jié)果分析，對整機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改進(jìn)方案如圖19所示，具體改進(jìn)措施見表3。

圖19 整體結(jié)構(gòu)改進(jìn)最終方案

改進(jìn)后分析計(jì)算得出其前3階模態(tài)振型如圖20所示，對應(yīng)模態(tài)相應(yīng)結(jié)果見表4。

表4 碼垛機(jī)改進(jìn)后前3階固有頻率、振幅、振型

由表4得知，碼垛機(jī)改進(jìn)后的第一階頻率為16.118Hz,已經(jīng)遠(yuǎn)大于各電機(jī)工作頻率，由此證明改進(jìn)后的碼垛機(jī)運(yùn)動工作中不會引起共振現(xiàn)象，其動態(tài)特性良好，提高了整機(jī)動態(tài)性能，得到了滿意的結(jié)果。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合ADAMS及ANSYS有限元分析技術(shù)對層碼垛設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過ADAMS仿真分析，得到了碼垛機(jī)各關(guān)鍵部件在各個(gè)時(shí)刻的位移、速度、加速度等曲線圖，檢驗(yàn)了層碼垛設(shè)備運(yùn)動規(guī)律的合理性及準(zhǔn)確性，同時(shí)也為液壓缸、電機(jī)、旋轉(zhuǎn)液壓缸的選型以及各傳遞關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)；最后通過ANSYS有限元分析法對層碼垛機(jī)設(shè)備進(jìn)行了靜動態(tài)特性分析，評價(jià)了各部分性能并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使改進(jìn)后的整體設(shè)備固有頻率遠(yuǎn)大于各電機(jī)工作頻率，避免發(fā)生共振現(xiàn)象，改進(jìn)后得到了滿意的結(jié)果。將砌塊生產(chǎn)線層碼垛設(shè)備的設(shè)計(jì)與ADAMS仿真分析及有限元分析技術(shù)相結(jié)合，可降低生產(chǎn)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，同時(shí)也使得砌塊生產(chǎn)線層碼垛設(shè)備的設(shè)計(jì)更完美、性能更可靠。

圖20 碼垛機(jī)設(shè)備改進(jìn)后前3階模態(tài)振型

[1] 范錦忠.陶粒泡沫混凝土砌塊[J]．磚瓦,2009(7):44-47.

[2] 郭艷,李海艷，胡德勇．陶粒加氣混凝土砌塊性能分析[J]. 新材料與應(yīng)用,2011(10):90-93.

[3] 陳立平, 張?jiān)魄? 任衛(wèi)群，等. 機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2005.

[4] 許京荊.ANSYS Workbench13.0數(shù)值模擬技術(shù)[M].北京：中國水電出版社，2012.

[5] 李兵,何正嘉,陳雪峰.ANSYS Workbench 設(shè)計(jì)仿真與優(yōu)化[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[6] 凌桂龍,丁金濱，溫正.ANSYS Workbench 13.0從入門到精通[M] .北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[7] Chen Y S,Cheng Y D, Liao J J, et al. Development of a finite element solution module for the analysis of the dynamic behaviour and balancing effects of an induction motor system[J]. Finite Elements in Analysis and Design, 2008(44)：483-492.

DesignoflayerpalletizingequipmentbasedonADAMSandANSYS

LIU Jiang, QIN Baorong, WANG Shuhua

(Zhejiang University of Technology, Zhejiang Hangzhou, 310014, China)

The ceramsite after molding and cutting can enhance aerated block. These ceramsite need stacker crane to the special area for maintenance. Aiming at this application, it designs a stacker crane equipment combined with its special nature. It establishes the 3d model with Solidworks and determines the stacker crane structure. Using ADAMS, it analyzes this equipment motion simulation and stress, determines a right exercise program for the stacker crane, simulates the layer equipment's overall static and dynamic characteristics by means of ANSYS, evaluates their performance and structure. The design improves the structure, the performance of its dynamic characteristics, obtains the satisfactory results.

stacker crane; block material; motion simulation; stress analysis; static and dynamic analysis

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.11.009

2014-11-04

劉江(1989—)，男，貴州江口人，浙江工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

TH122

A

2095-509X(2014)11-0038-06